Il polipirrolo (PPy) è uno tra i più studiati polimeri conduttivi a causa della sua facilità di sintesi, stabilità, elevata conduttività elettrica e buone proprietà redox. Grazie alle sue eccellenti proprietà intrinseche, il polipirrolo è utilizzato in diverse applicazioni come supercondensatori, batterie, biosensori, rivestimenti antistatici, tessuti e nella somministrazione di farmaci.
Sebbene i primi lavori sul polipirrolo risalgano agli studi del chimico italiano Angelo Angeli lo studio delle proprietà dei polimeri conduttivi ha avuto risonanza dopo la scoperta del poliacetilene nel 1977 da parte di Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid e Alan Heeger che vinsero il Premio Nobel per la Chimica nel 2000.
Dopo la scoperta del poliacetilene, si scoprì che numerosi altri materiali polimerici coniugati e loro derivati possiedono conduttività elettrica. Tra questi polimeri, oltre al polipirrolo, vi è la polianilina e il politiofene che hanno attirato l’attenzione dei ricercatori per il loro peso più leggero, maggiori funzionalità, resistenza alla corrosione, stabilità e una gamma di conduttività elettrica da isolante a metallica.
Il polipirrolo ha formula H(C4H2NH)nH e presenta elettroni π delocalizzati lungo tutto lo scheletro del polimero. L’aggiunta o la rimozione di elettroni dal sistema π mediante opportuni agenti dopanti dà luogo a un’unità carica che è in grado di condurre elettricità.
Sintesi del polipirrolo
Il polipirrolo è sintetizzato mediante una polimerizzazione ossidativa chimica utilizzando, come monomero, il pirrolo e un ossidante in quantità stechiometrica come, ad esempio, cloruro di ferro (III) FeCl3, persolfato di ammonio (NH4)2S2O8, Ag+, I2, Br2, Cu2+ oppure cromo esavalente o permanganato e, come tensioattivo anionico, il laurilsolfato di sodio NaC12H25SO4.
La polimerizzazione avviene in modo esotermico ed è effettuata in presenza acqua. Avviene sotto una vigorosa agitazione magnetica per facilitare la dispersione del pirrolo ed è condotta per un periodo di 4 ore ad una temperatura di 25°C.
La precipitazione di fini particelle nere è quasi immediata e, dopo il tempo di polimerizzazione previsto, il polipirrolo sintetizzato viene filtrato e lavato accuratamente con acqua distillata ed etanolo più volte e successivamente essiccato in un forno sotto vuoto a circa 40°C. Questa metodica, tuttavia porta a sottoprodotti di reazione che devono essere smaltiti con conseguenti problemi ambientali.
Il recente utilizzo di catalizzatori che permettono di impiegare ossidanti blandi ed ecocompatibili come aria, ossigeno molecolare e acqua ossigenata ha consentito la sintesi del polipirrolo in modo più rispettoso dell’ambiente.
Un’altra via sintetica del polipirrolo è quella elettrochimica in cui si parte da pirroli 3-alchil sostituiti disciolti in un opportuno solvente ed in presenza di un sale dopante. Il monomero viene ossidato sulla superficie di un elettrodo mediante l’applicazione di un opportuno potenziale. Il basso potenziale di ossidazione del pirrolo ne consente la polimerizzazione in ambienti acquosi
Nanomateriali
Il polipirrolo presenta una fase amorfa e ha scarsa solubilità e duttilità meccanica, ed è pertanto difficilmente solubile nella maggior parte dei solventi organici e di difficile la lavorazione in forme specifiche. Esso, inoltre, a causa della sua morfologia manca di buone proprietà elettriche, ottiche e biologiche e pertanto la struttura e le dimensioni devono essere ottimizzate per ottenere prestazioni ottimali.
Con il progresso della ricerca sui nanomateriali si sono ottenuti nanomateriali polipirrolo che hanno potenziali applicazioni nei campi dello stoccaggio dell’energia, della biomedicina, dei sensori, dell’adsorbimento e della rimozione delle impurità, della schermatura elettromagnetica e della resistenza alla corrosione.
Il controllo delle dimensioni e della morfologia delle nanoparticelle di polipirrolo è stato ottenuto utilizzando la combinazione di vari tensioattivi non ionici e anionici e temperature diverse di polimerizzazione durante la sintesi.
Tipi di nanomateriali
I nanomateriali di polipirrolo sono classificati sulla base della loro struttura. Esistono quattro tipi principali di nanomateriali ovvero nanoparticelle, nanotubi, nanofili e nanofogli. Le nanoparticelle di polipirrolo sono il tipo più comune di nanomateriale per il cui ottenimento sono necessari tensioattivi che formano, in soluzione, delle micelle che riducono anche l’energia attiva della superficie del polimero e lo rendono stabile.
Le nanoparticelle, tuttavia hanno una scarsa conduttività ed è necessario aggiungere sostanze dopanti per migliorarne la conduttività.
I nanotubi di polipirrolo, grazie alla loro struttura altamente ordinata, all’ampia area superficiale specifica e alla capacità di trasporto presentano vantaggi significativi, come un’area superficiale più ampia, eccellenti proprietà meccaniche ed elevata attività catalitica, quindi le loro funzioni applicative sono estese.
I nanofili di polipirrolo non solo hanno alcune delle eccellenti proprietà dei polimeri conduttivi, ma anche alcune delle proprietà uniche dei nanomateriali. Essi, a causa delle loro proprietà elettriche e della buona biocompatibilità, hanno potenziali applicazioni in molti campi. I nanofogli sono, al momento, stati poco studiati.